水管锅炉

水管锅炉的介绍，包括工作原理、类型和优点；以及其在热电联产中应用的简要概述。

水管锅炉

水管锅炉与壳式锅炉的不同之处在于，水在管内循环，而热源包围在管外。回顾环向应力公式（公式3.2.1），可以很容易看出，由于管径显著减小，在相同应力条件下可以承受更高的压力。水管锅炉用于电站应用，需要满足以下要求：

高蒸汽输出量（最高可达500 kg/s）。
高压蒸汽（最高可达160 bar）。
过热蒸汽（最高可达550°C）。然而，水管锅炉也有可与壳式锅炉竞争的小型规格产品。小型水管锅炉可以像组装式壳式锅炉一样制造并组装成单个单元，而大型机组通常分段制造，在现场组装。许多水管锅炉以自然水循环原理运行（也称为”热虹吸”）。在了解可选的不同类型水管锅炉之前，这个主题值得先加以介绍。图3.3.2有助于解释这一原理：
较冷的给水从挡板后方引入汽包，由于冷水密度较大，它沿”下降管”向下流向低位汽包（即”泥包”），将较热的水向上推入前排管束。
持续加热在前排管束中产生蒸汽泡，蒸汽泡在汽包中与热水自然分离后被引出。然而，当水管锅炉内的压力升高时，水与饱和蒸汽之间的密度差减小，因此循环量减少。为了在更高的设计压力下保持相同的蒸汽输出水平，必须增大低位汽包与汽包之间的距离，或者必须引入某种强制循环手段。 水管锅炉结构 热源的能量可以通过辐射、对流和传导的方式提取。 炉膛或辐射段 这是一个容纳燃烧器火焰的开放区域。如果允许火焰直接接触锅炉管，将导致严重的侵蚀并最终造成管子失效。炉膛段的壁面内衬有带翅片的管子，称为膜式水冷壁，其设计目的是吸收火焰的辐射热量。

对流段

此部分设计用于通过传导和对流吸收高温气体的热量。大型锅炉可能有多个管组（也称为悬吊管）串联布置，以便从高温气体中获取最大能量。 水管锅炉的命名 水管锅炉通常按某些特征进行分类，见表3.3.1。

其他水管锅炉布置形式

以下布置形式与其他水管锅炉的工作原理相同，容量范围从5 000 kg/h到180 000 kg/h。纵置汽包锅炉纵置汽包锅炉是最初采用热虹吸原理运行的水管锅炉类型（见图3.3.5）。较冷的给水被送入汽包，汽包纵向布置在热源上方。较冷的水沿后循环联箱下降进入若干倾斜的受热管。随着水在倾斜管中向上流动，温度不断升高，水开始沸腾，密度降低，因此热水和蒸汽沿倾斜管向上循环进入前循环联箱，再回到汽包。在汽包中，蒸汽泡从水中分离，蒸汽被引出。纵置汽包锅炉的典型容量范围从2 250 kg/h到36 000 kg/h。

横置汽包锅炉

横置汽包锅炉是纵置汽包锅炉的变体，其汽包横向布置于热源上方，如图3.3.6所示。横置汽包的工作原理与纵置汽包相同，不同之处在于它能在汽包截面上实现更均匀的温度分布。但它存在因高蒸汽负荷下循环故障而造成损坏的风险——如果上部管子变干，可能过热并最终失效。横置汽包锅炉还有一个额外优势，即由于其横向布置方式，可以为更多的倾斜管束提供服务。横置汽包锅炉的典型容量范围从700 kg/h到240 000 kg/h。

弯管锅炉或斯特林锅炉

水管锅炉的进一步发展是弯管锅炉或斯特林锅炉，如图3.3.7所示。该类型同样基于水温和密度的原理运行，但采用了四个汽包，配置如下：较冷的给水进入左上方的汽包，由于密度较大而向下流向低位汽包（即水包）。水包内的水以及连接到其他两个上方汽包的连通管受到加热，产生的蒸汽泡上升到上方汽包中，然后蒸汽被引出。

弯管锅炉或斯特林锅炉可提供较大的换热面积，同时促进自然水循环。

水管锅炉的优点：

水容量小，因此对负荷变化和热量输入响应迅速。
小管径管子和汽包意味着可以承受更高的蒸汽压力，电站中可使用高达160 bar的压力。
设计可在各壁面布置多个燃烧器，提供水平或垂直燃烧选择，并具备控制锅炉各区域温度的功能。如果锅炉带有内置过热器，且需要控制过热蒸汽温度时，这一点尤为重要。

水管锅炉的缺点：

与壳式锅炉相比，水管锅炉不易以组装式形式制造，这意味着现场需要更多的工作量。
多燃烧器选项虽然提供了灵活性，但电站中使用的30个或更多燃烧器意味着需要复杂的控制系统。

热电联产（CHP）工厂

上述水管锅炉通常容量较大。然而，与陆基燃气轮机装置配合使用的小型、专用、小型余热锅炉的需求正在不断增长。有几种类型的蒸汽发生陆基燃气轮机装置可供使用：

热电联产 这些系统将燃气轮机排出的高温废气（约500°C）引导通过锅炉，在锅炉中产生饱和蒸汽并用作工厂公用工程。这些系统的典型应用场所是电力和蒸汽需求同步、且比例与CHP系统相匹配的工厂或厂区。

效率可达90%。

联合循环工厂 这些是CHP系统的扩展，饱和蒸汽经过过热器产生过热蒸汽。由于燃气轮机排气温度相对较低，过热器可能需要单独燃烧器。产生的过热蒸汽被引导至汽轮机，驱动额外的发电机发电。这些工厂的调节比很差，因为汽轮机需要以与电网频率同步的转速旋转。这意味着这些工厂只适合在满负荷下运行，为工厂提供基础蒸汽负荷。由于燃气轮机排气温度相对于传统锅炉中燃烧器火焰温度较低，对于给定的热负荷，需要大得多的锅炉换热面积。同时，也不需要为燃烧器提供安装空间。由于这些原因，水管锅炉往往能提供更好、更紧凑的解决方案。由于效率是CHP决策者的主要考虑因素，这些锅炉的设计很可能包含省煤器（给水加热器）。如果工厂是”联合循环”的，设计中也可能包含过热器。然而，相对较低的温度可能意味着需要额外的燃烧器才能将蒸汽提升到汽轮机所需的规格参数。